CN108326384B - 一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝铜焊接技术领域，具体涉及一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，选用高频钎焊，所述铜母材焊接部分采用激光熔覆工艺在其表面制备二硼化钛涂层；工艺参数为：加热功率为8‑10kW，同时配合25‑50kGy的γ‑射线辐照，焊接时间为18‑22s，钎缝间隙为0.16‑0.18mm；在钎焊过程中通入预热后的氮气，保证钎焊炉内氧气的浓度控制在0.002%以下。本发明相比现有技术具有以下优点：通过在铜母材表面熔覆二硼化钛涂层使钎焊接头的强度增大，增强铜母材与钎料之间的抗腐蚀性能；调整钎料成分，使钎料在铜母材和铝母材上铺展性较好，界面组织状貌主要为笋状，钎焊接头强度增加，抗腐蚀性好，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于铝铜焊接技术领域，具体涉及一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺。
背景技术
金属铜具有良好的导电性能、导热性能，良好的常温和低温塑性，以及对大气、海水的耐腐蚀性，是制造电器开关、电气设备、电线和电缆的良好材料，但是随着工业的发展，铜的资源型短缺严重，铜的价格越来越昂贵，因此，材料科学与工程人员积极寻找以铝代铜等方法，从物理性能上说，铝以及铝合金同样具有优异的物理特性和一定的机械性能，如热导率高、电导率高、耐腐蚀能力强，并具有密度低、比强度高的特性，铝的价格要比铜低很多，但想得到高质量的铝铜连接件，首先需要了解铝铜连接的困难以及结合机理；具体的，铝铜连接在空调制冷、电力等行业有广阔的应用前景，目前铝铜连接常用的压力焊存在工艺复杂、生产成本高等问题，钎焊相比压力焊有明显优势，但目前铝铜钎焊连接效果差，现有技术中通过锡基加银钎料和锌锡钎料，配合铝反应钎剂，可以制备强度性能较高的铝铜钎焊接头，但其抗腐蚀性能价差，锌铝钎料钎焊铝铜接头的抗腐蚀性能较好，但强度较低，限制了其应用范围，因此，需要对铝铜钎焊工艺进一步研究，以扩大铝铜连接的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，在研究中发现，接头总是在铜母材与钎料层的接合处断裂，说明铜侧界面是接头的最脆弱处，从焊缝组织看，大量铝初晶从铝测界面上生长，因此钎料层与铝母材结合强度高，而铜侧界面上总是生成金属间化合物，这些化合物是脆性相，受拉时易断裂，因此，需要针对这一问题提供了一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，选用高频钎焊，所述铜母材焊接部分采用激光熔覆工艺在其表面制备厚度为0.2-0.3mm的二硼化钛涂层；工艺参数为：钎料成分为，锌含量78.5wt%、铝含量12.6wt%、铜含量5.7wt%、钯含量3.2wt%；加热功率为8-10kW，同时配合25-50kGy的γ-射线辐照，焊接时间为18-22s，钎缝间隙为0.16-0.18mm；在钎焊过程中通入预热后的氮气，保证钎焊炉内氧气的浓度控制在0.002%以下；钎焊完成后继续通入氮气对其冷却，氮气温度不低于160℃，当工件冷却至200±5℃后，将工件放入风冷却室中冷却至室温即可。
作为对上述方案的进一步改进，所述二硼化钛涂层所用混合粉由铜粉和二硼化钛粉末在球料比为8:1的混料机中球磨混合，其中二硼化钛粉末是铜粉重量的1.2-2.5%；所述铜粉的粒度范围为200-350μm，二硼化钛粉末的粒度范围为2-8μm；所述二硼化钛涂层与铜基体为冶金结合，组织致密，涂层垂直纯铜表面存在柱状晶，其中交界处柱状晶少，成核率高，在钎焊过程中，与钎料接头界面为笋状结构，在附近铜含量升高，促进CuAl2相的形核，且其相形貌变小，使其裂纹难以扩展，进而接头强度升高。
作为对上述方案的进一步改进，所述激光熔覆的电流为350A，脉冲为5.5ms，频率为7Hz，光斑的大小为2mm，扫描速率为4mm/s。
作为对上述方案的进一步改进，所述感应发热垫片为规格为25mm×25mm×0.3mm的430不锈铁片。
作为对上述方案的进一步改进，所述铜母材和铝母料在使用前用有机溶剂蒸汽中脱脂，机械搅拌清洗后烘干；所述钎焊完成后，通入的氮气温度为180±5℃。
本发明相比现有技术具有以下优点：通过在铜母材表面熔覆二硼化钛涂层形成柱状晶结构，增加钎料对母材的润湿能力，增强与钎料层的结合强度，避免生成脆性相的金属间化合物，进而钎焊接头的强度增大，增强铜母材与钎料之间的抗腐蚀性能；γ-射线辐照能在钎焊功率较低的情况下减少钎焊时间，可使液态钎料快速凝固，减小了溶蚀的作用；调整钎料成分，使钎料在铜母材和铝母材上铺展性较好，界面组织状貌主要为笋状，钎焊接头强度增加，抗腐蚀性好，适用范围广。
具体实施方式
实施例1
一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，选用高频钎焊，所述铜母材焊接部分采用激光熔覆工艺在其表面制备厚度为0.25mm的二硼化钛涂层；
工艺参数为：钎料成分为，锌含量78.5wt%、铝含量12.6wt%、铜含量5.7wt%、钯含量3.2wt%；加热功率为8.5kW，同时配合37kGy的γ-射线辐照，焊接时间为20s，钎缝间隙为0.16mm；所述感应发热垫片为规格为25mm×25mm×0.3mm的430不锈铁片；
在钎焊过程中通入预热后的氮气，保证钎焊炉内氧气的浓度控制在0.002%以下；钎焊完成后继续通入氮气对其冷却，氮气温度为180±5℃，当工件冷却至200±5℃后，将工件放入风冷却室中冷却至室温即可；
其中，所述二硼化钛涂层所用混合粉由铜粉和二硼化钛粉末在球料比为8:1的混料机中球磨混合，其中二硼化钛粉末是铜粉重量的1.8%；所述铜粉的粒度范围为200-350μm，二硼化钛粉末的粒度范围为2-8μm；所述二硼化钛涂层与铜基体为冶金结合，组织致密，涂层垂直纯铜表面存在柱状晶，其中交界处柱状晶少，成核率高，在钎焊过程中，与钎料接头界面为笋状结构，在附近铜含量升高，促进CuAl2相的形核，且其相形貌变小，使其裂纹难以扩展，进而接头强度升高。
其中，所述激光熔覆的电流为350A，脉冲为5.5ms，频率为7Hz，光斑的大小为2mm，扫描速率为4mm/s。
实施例2
一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，选用高频钎焊，所述铜母材焊接部分采用激光熔覆工艺在其表面制备厚度为0.3mm的二硼化钛涂层；
工艺参数为：钎料成分为，锌含量78.5wt%、铝含量12.6wt%、铜含量5.7wt%、钯含量3.2wt%；加热功率为10kW，同时配合50kGy的γ-射线辐照，焊接时间为22s，钎缝间隙为0.16mm；所述感应发热垫片为规格为25mm×25mm×0.3mm的430不锈铁片；
其余内容与实施例1中相同。
实施例3
一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，选用高频钎焊，所述铜母材焊接部分采用激光熔覆工艺在其表面制备厚度为0.2mm的二硼化钛涂层；
工艺参数为：钎料成分为，锌含量78.5wt%、铝含量12.6wt%、铜含量5.7wt%、钯含量3.2wt%；加热功率为8kW，同时配合25kGy的γ-射线辐照，焊接时间为18s，钎缝间隙为0.18mm；所述感应发热垫片为规格为25mm×25mm×0.3mm的430不锈铁片；
其余内容与实施例1中相同。
设置对照组1，将钎料成分替换为锌含量83.7wt%、铝含量9.3wt%、铜含量7wt%，其余内容与实施例1中相同；设置对照组2，将实施例1中熔覆二硼化钛涂层的步骤去掉，其余内容不变；设置对照组3，将实施例1中γ-射线辐照过程去掉，其余内容不变；设置对照组4，按照常规方法高频钎焊，钎料成分为锌含量83.7wt%、铝含量9.3wt%、铜含量7wt%，加热功率为9kW，钎缝间隙为0.14mm，焊接时间为30s；对各组焊接材料用万能拉伸机GP-TS2000/100kW，测试接头的剪切强度，并设置接头抗腐蚀性实验，将接头放在（20±3）℃的人造海水（2.7wt%NaCl+0.1wt%KCl+0.1wt%CaCl2+0.6wt%MgCl2+H2O）中浸泡十天，洗净后吹干测试腐蚀后的剪切强度，得到以下结果：
表1
| 组别 | 常规强度（MPa） | 腐蚀后的强度（MPa） | 强度下降率（%） |
| 实施例1 | 58.3 | 56.32 | 3.4 |
| 实施例2 | 58.7 | 56.65 | 3.5 |
| 实施例3 | 58.6 | 56.61 | 3.4 |
| 对照组1 | 47.2 | 45.03 | 4.6 |
| 对照组2 | 53.8 | 51.70 | 3.9 |
| 对照组3 | 51.6 | 48.87 | 5.3 |
| 对照组4 | 53.6 | 49.96 | 6.8 |
通过表1中数据可以看出，本发明中常规强度和抗腐蚀性能较好，改变钎料或钎焊工艺，均会影响结合料之间的结合强度，进而影响接头强度或其抗腐蚀能力，相比现有技术（对比文件4）有明显提高，经济效益显著。
Claims (5)
1.一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，选用高频钎焊，其特征在于，铜母材焊接部分采用激光熔覆工艺在其表面制备厚度为0.2-0.3mm的二硼化钛涂层；
工艺参数为：钎料成分为，锌含量78.5wt%、铝含量12.6wt%、铜含量5.7wt%、钯含量3.2wt%；加热功率为8-10kW，同时配合25-50kGy的γ-射线辐照，焊接时间为18-22s，钎缝间隙为0.16-0.18mm；
在钎焊过程中通入预热后的氮气，保证钎焊炉内氧气的浓度控制在0.002%以下；钎焊完成后继续通入氮气对其冷却，氮气温度不低于160℃，当工件冷却至200±5℃后，将工件放入风冷却室中冷却至室温即可。
2.如权利要求1所述一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，其特征在于，所述二硼化钛涂层所用混合粉由铜粉和二硼化钛粉末在球料比为8:1的混料机中球磨混合，其中二硼化钛粉末是铜粉重量的1.2-2.5%；所述铜粉的粒度范围为200-350μm，二硼化钛粉末的粒度范围为2-8μm。
3.如权利要求2所述一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，其特征在于，所述激光熔覆的电流为350A，脉冲为5.5ms，频率为7Hz，光斑的大小为2mm，扫描速率为4mm/s。
4.如权利要求1所述一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，其特征在于，所述铜母材和铝母料在使用前用有机溶剂蒸汽中脱脂，机械搅拌清洗后烘干。
5.如权利要求1所述一种高强耐腐蚀铝铜接头的钎焊工艺，其特征在于，所述钎焊完成后，通入的氮气温度为180±5℃。
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